Nghiên cứu nâng cao chất lượng gang cầu pherit sử dụng trong công nghệ chế tạo chi tiết tay quay

Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Tổ chức gang cầu nền ferit + peclit Hình 1.2 Độ bền và độ dãn dài của gang cầu phụ thuộc hàm lượng Si và nền kim loại Hình 1.3 Hình dạng graphit và

Bộ công thương

Viện khoa học và công nghệ Mỏ-Luyện kim

BÁO CÁO đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển cấp bộ

Đề tài:

Nghiên cứu nâng cao chất lượng gang cầu pherit

trong công nghệ chế tạo chi tiết

tay quay van xuất khẩu

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Văn Chiến

Đồng chủ nhiệm: Nguyễn Hữu Dũng

Cơ quan quản lý đề tài: Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim

6861

15/5/2008

Hà nội 2007

c¸c c¬ quan phèi hîp thùc hiÖn

1 NguyÔn V¨n ChiÕn TiÕn sü ViÖn KHCN Má LuyÖn kim

2 NguyÔn H÷u Dòng PGS TS §¹i häc B¸ch khoa HN

3 NguyÔn Hång H¶i ThS §¹i häc B¸ch khoa HN

4 V¨n Ngäc Hång Kü s− §¹i häc KTCN Th¸i nguyªn

5 NguyÔn M¹nh §¹t Kü s− ViÖn KHCN Má LuyÖn kim

mục lục

Lời nói đầu

Chương 1 tổng quan về Gang cầu

1.1 Khái quát về gang cầu 9

1.1.1 Tổ chức gang cầu 9

1.1.2 Mối quan hệ giữa tổ chức và tính chất 11

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự hình thành tổ chức và tính chất gang cầu 11

1.2.1 Hình dạng graphit 12

1.2.2 Thành phần hóa học 12

1.2.3 Các phương pháp nhiệt luyện gang cầu 16

1.2.4 ảnh hưởng của tốc độ nguội

1.3 Tình hình sản xuất gang cầu ở trong nước và nước ngoài 18

Chương 2 Công nghệ chế tạo gang cầu 2.1 Các phương pháp chế tạo gang cầu 20

2.1.1 Phương án các quá trình sạch 20

2.1.2 Phương pháp có các quá trình hóa học 21

2.1.3 Một số công nghệ biến tính sử dụng Mg và hợp kim trung gian Mg 22

2.2 Tác dụng của magiê khi làm chất biến tính cầu hóa 23

2.2.1 Khử khí và tinh luyện 23

2.2.2 Tác dụng khử lưu huỳnh 24

2.2.3 Hàm lượng Mg dư sau biến tính 27

2.2.4 Sự cháy hao của các nguyên tố khi biến tính 28

2.3 Gang cầu pherit 29

Chương 3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 3.1 Nội dung nghiên cứu 36 3.1.1 ảnh hưởng của thành phần phối liệu đến việc hình

3.1.2 ảnh hưởng của hàm lượng cacbon, silic, mangan đến

việc hình thành tổ chức pherit 36

3.1.3 ảnh hưởng của chiều dày thành vật đúc đến cơ tính gang cầu pherit trạng thái đúc 37

3.1.4 Thiết kế công nghệ và đúc thử cho chi tiết van tay quay bằng công nghệ khuôn cát tươi 38

3.2 Phương pháp nghiên cứu 3.2.1 Thiết bị và nguyên liệu thí nghiệm 39

3.2.2 Qui trình công nghệ: 41

3.2.3 Các điều kiện ban đầu 43

3.2.4 Nhiệt luyện gang cầu 44

Chương 4 Kết quả và thảo luận 4.1 Khảo sát và đánh giá thực tế công nghệ sản xuất gang cầu pherit 45

4.2 ảnh hưởng của hàm lượng mangan đến tính chất gang cầu pherit trạng thái đúc 51

4.3 ảnh hưởng của chiều dày thành vật đúc đến tính chất gang cầu trạng thái đúc 53

4.4 ảnh hưởng của Cu đến tính chất gang cầu trạng thái đúc 56

4.5 ảnh hưởng của đồng đến tính chất gang cầu sau nhiệt luyện 59

4.6 ảnh hưởng của hàm lượng Mg dư 61

4.7 áp dụng kết quả vào sản xuất 64

4.8 Tính toán sơ bộ giá thành sản phẩm 68

Kết luận và kiến nghị 70

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Tổ chức gang cầu nền ferit + peclit

Hình 1.2 Độ bền và độ dãn dài của gang cầu phụ thuộc hàm

lượng Si và nền kim loại Hình 1.3 Hình dạng graphit và cơ tính của gang

Hình 1.4 ảnh hưởng của hàm lượng Mn đến cơ tính gang

cầu Hình 1.5 ảnh hưởng của lưu huỳnh đến độ dãn dài của gang

cầu Hình 1.6 Ngưỡng giòn của gang cầu phụ thuộc vào hàm

lượng photpho Hình 2.1 Phương pháp biến tính a) nhúng và b) nồi autoclap

Hình 2.2 Phương pháp biến tính bằg dây nhồi

Hình 2.3 Phương pháp biến tính trong thùng quay

Hình 2.4 Phương pháp biến tính liên tục trên dòng chảy

Hình 2.5 Phương pháp gầu Tundish

Hình 2.6 Cân bằng Mg-S tại nhiệt độ 15000C

Hình 2.7 Giản đồ trạng thái Fe – Mg

Hinh 2.8 Ảnh hưởng của tổ chức nền đến độ dai va đập của

gang cầu pherit Hỡnh 2.9 ảnh hưởng của Si tới tính chất của gang cầu pherít

Hỡnh 2.10 Ảnh hưởng của hàm lượng P đến độ dai va đập của

gang cầu pherit Hình 3.1 Mẫu thí nghiệm và xác định cơ tính

Hình 4.1 Tổ chức kim loại của mẫu

Hình 4.2 ảnh hưởng của tỉ lệ C/Si đến cơ tính của gang cầu

Hỡnh 4.3 Hàm lượng Mn và độ bền kộo của gang cầu

Hỡnh 4.4 Hàm lượng Mn và độ dãn dài của gang cầu trạng thái đúc

Hình 4.6 Chiều dày vật đúc và độ dãn dài gang cầu trạng thái đúc

Hình 4.7 ảnh hưởng của Cu đến độ bền kéo gang cầu trạng thái đúc Hình 4.8 ảnh hưởng của Cu đến độ dãn dài gang cầu trạng thái đúc

Hình 4.9 Gang cầu 0,5% Cu trạng thái đúc

Hình 4.10 ảnh hưởng của Cu đến độ bền kéo gang cầu

Hình 4.11 ảnh hưởng của Cu đến độ dãn dài gang cầu

Hình 4.12 Gang cầu 0,5% Cu sau nhiệt luyện

Hình 4.13 ảnh hưởng của hàm lượng Mg dư đến độ bền

Hình 4.14 ảnh hưởng của hàm lượng Mg dư đến độ dãn dài

Hình 4.15 Công nghệ đúc tay quay bằng gang cầu pherit trạng thái đúc Hình 4.16 Bản vẽ chi tiết tay quay

Hình 4.17 Chi tiết tay van

Hình 4.18 Vật đúc chi tiết tay van

Hình 4.19 Công nghệ đúc mũ sứ gang cầu

Hình 4.20 Chi tiết đúc mũ sứ gang cầu

danh mục các bảng biểu

Bảng 1.1 Tính chất của gang cầu hợp kim theo tiêu chuẩn DIN1693, Bảng 2.1 Sự thay đổi hàm lượng khí trong gang khi biến tính bằng

FeSiMg5 Bảng 2 2 Khả năng khử S của các nguyên tố đất hiếm phụ thuộc vào

nhiệt độ Bảng 2.3 Đặc tính chủ yếu của một số chất biến tính cầu hoá để sản

xuất gang graphit cầu

Bảng 2.4 Thành phần một số loại chất biến tính cầu hoá chứa đất hiếm Bảng 2.5 Tính chất của gang cầu pherit

Bảng 2.6 Thành phần các nguyên tố thường gặp trong gang cầu graphit Bảng 4.1 Tính chất gang cầu không dùng gang thỏi trong mẻ liệu

Bảng 4.2 Tính chất gang cầu khi dùng 20% gang thỏi trong mẻ liệu,

hàm lượng Mn thấp

Bảng 4.3 Tính chất gang cầu khi dùng Cđl > 4,5%

Bảng 4.4 Độ bền kéo và hàm lượng Mn trong gang cầu

Bảng 4.5 Độ dãn dài và hàm lượng Mn trong gang cầu trạng thái đúc Bảng 4.6 Chiều dày vật đúc và Độ bền kéo trạng thái đúc

Bảng 4.7 Chiều dày vật đúc và Độ dãn dài gang cầu trạng thái đúc

Bảng 4.8 ảnh hưởng của Cu đến cơ tính gang cầu trạng thái đúc

Mở đầu

Trong những năm gần đây, gang cầu đã trở thành một loại vật liệu rất quan trọng trong ngành chế tạo máy do những ưu việt của vật liệu như: tính

đúc tốt, tính chất cơ học cao, gía thành vừa phải Bằng công nghệ biến tính

và thay đổi thành phần vật liệu, có thể tạo ra những mác gang cầu thoả mãn nhiều nhu cầu của sản xuất và mở ra một viễn cảnh rất rộng lớn cho việc áp dụng gang cầu trong việc chế tạo chi tiết trong ngành ôtô, xây dựng, nông nghiệp, mỏ, quân sự và trong ngành đường sắt mà trước đây thường chế tạo bằng phương pháp rèn hoặc đúc thép

Tính chất gang cầu phụ thuộc vào cấu trúc nền, hình dạng, kích thước

và sự phân bố graphit trong gang Nền và hạt graphit lại phụ thuộc vào thành phần hoá học của gang lỏng, phương pháp khử lưu huỳnh và phương pháp tạo xỉ ở trong gầu rót như thế nào, chúng còn phụ thuộc vào phương pháp biến tính, khoảng thời gian giữa các sự kiện trên và cũng phụ thuộc vào hình dáng chi tiết đúc trong khuôn

Đối với gang cầu pherit trạng thái đúc, sự có mặt của các nguyên tố như mangan và crôm là những nguyên tố có ảnh hưởng rất mạnh đến tính chất cơ học của gang Với lý do này thì thành phần của chúng phải được khống chế rất chặt chẽ Mangan và crôm vào gang lỏng từ sắt thép vụn, gang và hồi liệu Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng, sử dụng sắt thép vụn sao cho gang lỏng chứa ít hơn 0,1%Cr, hàm lượng Mn trong khoảng 0,2-0,3% thì chất lượng gang cầu sẽ dễ khống chế hơn Trong sắt thép vụn hàm lượng mangan khá cao, đa số đều chứa đến 0,5% cho nên khống chế hàm lượng

Mn là việc rất cần thiết Lượng sắt thép vụn cần phải khống chế ở mức sao cho vật đúc chứa càng ít cacbit càng tốt Điều này đặc biệt quan trọng trong công nghệ chế tạo gang cầu pherit

Cấu trúc graphit trong gang cầu chịu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon

và cacbon đương lượng cũng như tỉ lệ C/Si Nhiều thí nghiệm cũng đã chỉ ra rằng, thành phần mẻ liệu có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của gang cầu pherit ở trạng thái đúc Các nguyên tố phản cầu cần phải khống chế chặt chẽ

là: Sn ≤ 0,01%; As ≤ 0,02%; (V+Mo)≤ 0,01%; Cr≤ 0,04%; Sn≤ 0,02%; P≤0,05%

Mục đích của đề tài: Đề tài này nhằm giải quyết một số vấn đề sau

4 Thiết lập đ−ợc công nghệ sản xuất gang cầu pherit trạng thái đúc

ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Khi đã giải quyết đ−ợc các vấn đề nêu trên, đề tài sẽ góp phần vào việc hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết về gang cầu pherit trạng thái đúc

Kết quả của đề tài giúp cho các cơ sở sản xuất đúc không bị động khi nhận các đơn hàng về gang cầu pherit Khi kết quả của đề tài là ổn định, sẽ

áp dụng để sản xuất chi tiết tay quay bằng gang cầu dùng cho xuất khẩu

Đề tài này cũng là cơ sở cho việc thực hiện một luận án Thạc sỹ về ngành Khoa học và Công nghệ vật liệu

Chương 1 Tổng quan về gang cầu

1.1 Khái quát về gang cầu:

Gang graphit cầu, gọi tắt là gang cầu, có cơ lý tính cao hơn hẳn gang xám thường Gang cầu có độ bền cao, mô đun đàn hồi lớn và độ dẻo cao Về cơ tính

có thể sánh ngang với thép cácbon nhưng dễ đúc hơn nhiều, do đó gang cầu được dùng thay thế thép làm những chi tiết quan trọng như trục khưỷu ô tô, biên, trục cán Chính vì vậy vấn đề cầu hoá graphit đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm

1.1.1 Tổ chức gang cầu:

Tổ chức của gang cầu bao gồm graphit hình cầu và nền kim loại Tổ chức nền kim loại của gang cầu giống thép Về cơ bản, ở trạng thái đúc, gang cầu có các loại tổ chức nền: peclit, peclit+pherit và nền pherit Các hạt graphit hình cầu phân bố đều trên nền kim loại này Hình 1.1 giới thiệu tổ chức của gang cầu

- Có thể sử dụng các phương pháp nhiệt luyện của thép cho gang cầu để

đạt được các tổ chức nền kim loại khác nhau (Ví dụ: xoocbit, bainit, mactenxit )

Tính chất của gang cầu cho các mẫu và vật đúc có thành dầy khác nhau, ứng với tổ chức nền kim loại khác nhau được cho trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Tính chất của gang cầu hợp kim theo tiêu chuẩn DIN1693, phần I, mẫu lấy ở trạng thái đúc [1]

Loại gang theo tiêu

chuẩn DIN 1693

Phần I

Độ dài va chạm (mẫu

có vết khía),

đo ở 20 0 C Giá trị

đúc

mm

Chiều dày mẫu

đúc

mm

Độ bền kéo

Rmmin N/mm 2

Giới hạn chảy 0,2%

Rp 0,2 min N/mm 2

Độ dãn dài

A5

%

min j

Tổ chức (cơ bản)

1.1.2 Mối quan hệ giữa tổ chức và tính chất gang cầu

Tổ chức gang cầu bao gồm hai thành viên chủ yếu là graphit cầu và nền kim loại Cùng dạng graphit, tổ chức nền kim loại của gang cầu có liên quan trực tiếp với cơ tính và tính chất làm việc của gang Mối quan hệ này được thể hiện trên hình 1.2

Như vậy, nhờ thay đổi tổ chức nền kim loại, hoàn toàn có thể chế tạo ra các mác gang khác nhau

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự hình thành tổ chức và tính chất gang cầu 1.2.1 Hình dạng graphit

Graphit trong gang làm giảm diện tích chịu tải và làm mất tính liên tục

Hình 1.2 Độ bền và độ dãn dài của gang cầu phụ thuộc hàm lượng Si và nền kim loại 1- trạng thái đúc, 2- nền pherit; 3-

nền peclit /2/

như một lỗ hổng, ứng suất tập trung bên cạnh lỗ hổng phụ thuộc vào hình dạng

và chiều dài graphit /8/ và cùng một tổ chức nền, tính chất gang cầu phụ thuộc hình dạng graphit được chỉ ra như trên hình 1.3

1.2.2 Thành phần hóa học:

C và Si: Cacbon tan rất ít trong sắt Về mặt tổ chức nền thì càng ít cacbon,

độ bền của gang càng cao Trong gang cầu, cacbon đương lượng thường khống chế ứng với thành phần cùng tinh hoặc cao hơn một chút để tạo điều kiện thuận lợi cho việc cầu hóa và tránh được tổ chức biến trắng Thông qua điều chỉnh hàm lượng C có thể điều chỉnh được tổ chức nền gang Tăng hàm lượng C tới giới hạn nhất định, tuy làm cho lượng graphit tăng cao hơn, nhưng lại có lợi là làm tăng độ dẻo và độ dai cho gang

Silic tan trong sắt làm tăng độ cứng của pherit, kìm hãm quá trình tiết ra peclit Nền kim loại có thể thay đổi từ ledeburit thành hoàn toàn pherit khi hàm lượng Si thay đổi từ 1% tới 4,5% Để phòng tránh tổ chức biến trắng và giảm bớt lượng peclit trong tổ chức nền, cần giữ hàm lượng Si ở mức độ thích hợp, song Si không nên quá cao vì khi Si hòa tan nhiều vào pherit làm giảm tính dẻo của gang Gang cầu thông thường chứa 3,3 -3,9%C; 2,0 - 2,5%Si

Hình 1.3 Hình dạng graphit và cơ tính của gang /3/

Tấm vụn

Rm=350MPa; A5=1-2%

Hình cầu Rm=600MPa; A5=11-12% Cụm hoa bông

Rm=500MPa; A5=6-7%

Mn: Trong gang cầu, Mn thường thiên tích lớn, hàm lượng Mn trên biên

giới các hạt thường cao hơn từ 3 - 4 lần trong hạt cùng tinh Mangan là nguyên

tố có tác dụng điều chỉnh tổ chức nền của gang Do chất cầu hóa khử S tốt nên hàm lượng S trong gang còn lại rất thấp, nên chỉ có một bộ phận nhỏ Mn sẽ kết hợp với S còn đại bộ phận Mn hòa tan vào pherit làm tăng độ bền, giảm độ dẻo

và độ dai của nền gang Thông thường hàm lượng Mn trong gang cầu pherit nên giữ ở mức 0,2 - 0,4%, còn trong gang cầu peclit hàm lượng Mn là 0,4 - 0,6%

S: Lưu huỳnh là nguyên tố có hại khi biến tính cầu hoá Bản thân lưu

huỳnh làm giảm sức căng bề mặt của gang, hạn chế khả năng tiết ra graphit khi kết tinh Bởi vậy, trong qua trình nấu gang cầu, cần hạn chế lưu huỳnh trong gang sao cho gang ra lò chỉ dưới 0,04%S Mặt khác khi hàm lượng lưu huỳnh cao phải dùng nhiều Mg nên lượng MgS càng nhiều càng bất lợi vì MgS gây ra khuyết tật gọi là điểm đen trong gang cầu Phương pháp biến tính liên tục trên dòng chảy đòi hỏi hàm lượng S rất nhỏ như chỉ ra trên hình 1.5

Hình 1.4 ảnh hưởng của hàm lượng Mn đến cơ tính gang cầu /4/

Photpho:

Photpho ngăn cản quá trình phân hủy peclit nên cần hết sức lưu ý khi ủ pherit hóa gang cầu Hàm lượng photpho nhỏ không ảnh hưởng đáng kể tới tổ chức gang cầu

Tuy nhiên, phốt pho là nguyên tố dẽ bị thiên tích, nếu ở mức thiên tích mạnh có thể làm xuất hiện cùng tinh hai nguyên (Fe P + Fe) ở trên biên giới hạt

0,08% P

0,016% P

-100 0 100 0C

KW/cm2 0,3

có điểm nóng chảy khoảng 1050oC, làm giảm tính dẻo dai của gang Đối với gang cầu pherit tác hại xuất hiện rất sớm làm cho nhiệt độ chuyển hoá dẻo giòn của gang được nâng cao Do vậy, hàm lượng P trong gang cầu cần khống chế < 0,08%

Nguyên tố hợp kim:

Mo: Molipden làm nhỏ kích thước các hạt graphit cầu, làm nhỏ tổ chức

peclit và tăng tỷ lệ peclit trong tổ chức nền, qua đó làm tăng độ bền, độ cứng của gang Nếu hàm lượng Mo vượt quá 2%, tổ chức nền gang có thể xuất hiện bainit

MO là nguyên tố cacbit hóa yếu, làm thu hẹp vùng austenit và làm cản trở mạnh quá trình chuyển biến austenit, vì vậy rất dễ tạo ra tổ chức chuyển biến ở cấp bainit Khi đưa 0,1%-0,3% Mo vào sẽ gây ra tác dụng pherit hóa, lúc đó làm mở rộng vùng pherit (vùng trắng bao quanh hạt graphit cầu) và làm giảm lượng peclit của tổ chức nền Khi dùng với lượng cao hơn thì tác dụng đó không còn nữa và sự chuyển biến xảy ra theo chiều ngược lại, làm giảm pherit và dẫn tới tạo

ra tổ chức bainit và mactenxit

Cu: Làm tăng quá trình graphit hóa của tổ chức cùng tinh và ngăn trở quá

trình graphit hóa của tổ chức cùng tích, cũng phần nào có tác dụng làm nhỏ các hạt graphit cầu Cu có tác dụng làm mịn tổ chức peclit và tăng khả năng xuất hiện tổ chức peclit trong nền gang Nói chung, ảnh hưởng của Cu tới gang cầu có nhiều điểm phức tạp và còn nhiều mâu thuẫn Ví dụ: trong những loại gang rất ít nguyên tố tạp chất có hại, khi biến tính bằng Mg thì 2-3% Cu cũng không có

ảnh hưởng nhiều đến graphit cầu Còn nếu trong gang có chứa các nguyên tố cản trở cầu hóa thì chỉ cần 1-2% Cu thôi cũng đã làm xấu rõ rệt sự hình thành graphit cầu Chính vì vậy, khi nguyên tố cản trở graphit hóa càng nhiều thì lượng Cu cho vào càng phải ít

Ni: Niken thúc đẩy quá trình graphit hóa khi chuyển biến cùng tinh, ngăn

trở quá trình graphit hóa khi chuyển biến cùng tích, làm nhỏ mịn tổ chức peclit

chức nền peclit; hàm lượng Ni trung bình cho nền mactenxit; hàm lượng Ni cao cho nền là austenit Ni là nguyên tố cản trở sự pherit hóa đồng thời có tác dụng

ổn định peclit Do đó, Ni được dùng chủ yếu để điều chỉnh tỷ lệ tổ chức F và P trong vật đúc

Ưu điểm của việc hợp kim hóa Ni cho gang biến tính bằng Mg là: có thể tăng thời gian giữ gang sau biến tính, mà không gây mất tác dụng biến tính

Cr: Là nguyên tố cacbit hóa rất mạnh, rất dễ thiên tích Khi kết tinh, Cr

bị thiên tích và tập trung ở tinh giới hạt, tạo ra một mạng lưới cacbit xung quanh các hạt Khi làm nguội chậm, Cr cản trở quá trình pherit hóa Để chắc chắn loại

bỏ được tổ chức cacbit thì hàm lượng Cr không được vượt quá 0,05% Dùng Cr trong gang cầu có thể làm tăng độ cứng nhưng lại làm giảm độ dai, độ dẻo của gang cầu

Zn: Là nguyên tố peclit hóa rất mạnh nên được dùng chủ yếu để sản xuất

gang cầu peclit ở trạng thái đúc Nếu trong mẻ nấu có nhiều nguyên tố tạp chất cản trở cầu hóa thì không nên sử dụng nhiều kẽm

1.2.3 Các phương pháp nhiệt luyện gang cầu

Gang cầu có đặc điểm là có thể áp dụng các phương pháp nhiệt luyện của thép cho gang cầu Nhờ các phương pháp nhiệt luyện mà tính chất gang cầu có thể thay đổi trong khoảng rất rộng

Đối với gang xám, tính chất cơ học phụ thuộc đáng kể vào phương thức kết tinh của graphit, ít chịu ảnh hưởng của tổ chức nền kim loại Đối với gang cầu thì hoàn toàn ngược lại Khi gang đã có 100% graphit tiết ra ở dạng cầu, tính chất cơ học của gang vẫn có thể thay đổi được bằng cách thay đổi tổ chức nền kim loại thông qua nhiệt luyện Nếu ở trạng thái đúc, gang chưa đạt được các tính chất theo yêu cầu, ta có thể nhiệt luyện để đạt được các tính chất đó

Ngoài các phương pháp nhiệt luyện thông thường giống như thép, gang

hay còn gọi là gang cầu ADI (Austempered Ductile Iron) Gang cầu ADI có tính chất như sau: độ bền Rm= 900-1200 MPa, độ dãn dài A5 = 10-20% /6, 7/

1.2.4 ảnh hưởng của tốc độ nguội

Về mặt kết cấu chi tiết, vật liệu tốt nhất là vật liệu có tính chất cơ học hòan toàn giống nhau trên toàn bộ thiết diện Gang xám là loại vật liệu rất nhạy cảm với chiều dày thành vật đúc Tính chất gang cầu ít phụ thuộc vào chiều dày thành vật đúc Rót gang cầu có cùng hàm lượng mangan vào mẫu bậc trong khuôn cát và khuôn kim loại, độ cứng của chúng khác nhau không nhiều/8/ Gang cầu cũng có thể đúc trong khuôn kim loại /8,,10,11/ , nhưng cần chú ý vài điểm sau

đây:

dẻo và giảm tính gia công của vật liệu

graphit giảm đi

lượng pherit xung quanh hạt graphit cũng bị mất dần

không nhiệt luyện, không thể gia công cơ được Không thể hạn chế hiện tượng này bằng việc lựa chọn thành phần hóa học và ngay cả việc nâng cao hàm lượng silíc trong gang

1.3 Tình hình sản xuất gang cầu ở trong nước và nước ngoài

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Gang cầu đã trở thành một loại vật liệu tiên tiến dần dần thay thế cho thép trong một số lĩnh vực Khi vào trang web http//www.google.com, có thể xem

nước ngoài tập trung nhiều về gang cầu ADI (Austempering Ductile Iron)/1,2,3/ và tập trung nghiên cứu đi đến hạn chế các khuyết tật khi đúc gang cầu /4/

Gang cầu pherit mác FCD450-12 (theo tiêu chuẩn Mỹ) cũng được nghiên cứu sử dụng nhiều cho các chi tiết làm việc chịu ứng suất kéo, trong đó còn nghiên cứu gang cầu pherit dùng để làm vật liệu đúc liên tục nằm ngang /5/

Gang cầu pherit cũng đã được nghiên cứu nhiều ở Tiệp khắc cũ từ những năm

90 của thế kỉ trước /6,7,8/ Để nhận được tổ chức pherit, người ta dùng 2 công nghệ: pherit trạng thái đúc và pherit sau nhiệt luyện Ngoài việc chế tạo gang cầu

có nền pherit đơn thuần, người ta còn tiến hành hợp kim hoá thấp để nhận được các tính năng đặc biệt khác, thí dụ, khi dùng 1-1,5% Cu thì gang cầu vẫn có độ dãn dài nhỏ nhất là 12- 25%

ở Liên xô cũ, theo tạp chí ПроизводствоЛитейное việc nghiên cứu gang cầu

pherit cũng được tiến hành từ rất sớm Phần lớn các công trình đã công bố cũng

đề cập đến hai công nghệ: gang cầu pherit trạng thái đúc và pherit sau nhiệt luyện Trong đó công nghệ sản xuất gang cầu pherit nhiệt luyện được dùng nhiều hơn do tính đơn giản về công nghệ /9,10,11,12/

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Từ những năm 70 của thế kỉ trước, đã có nhóm nhà khoa học Việt nam nghiên cứu sản xuất gang cầu peclit là trục khuỷu phục vụ Quân đội với đề tài:

Sản xuất gang cầu từ gang lò đứng

Đề tài nghiên cứu cấp nhà nước về gang cầu : Sử dụng đất hiếm để sản xuất gang cầu (mã số 24.02.04.11);

Đề tài nghiên cứu cấp nhà nước : Nâng cao chất lượng sản phẩm đúc bằng phương pháp biến tính hợp kim hoá sử dụng đất hiếm VN, (mã số

24A.01.02) đều nghiên cứu về gang cầu peclit

Đề tài nghiên cứu cấp nhà nước: Nghiên cứu công nghệ đúc các chi tiết máy đặc biệt bằng gang cầu cường độ cao, gang hợp kim, mã số KC 05-05

Đề tài cấp Bộ: Nghiên cứu dùng vật liệu mới để nâng cao chất lượng bộ nổ cho các loại máy động lực và máy nông nhiệp, B2002-28-55

Đề tài cấp bộ: Nghiên cứu gang cầu ủ đẳng nhiệt (Tổng CT Máy và động

lực.2004)

Một số đề tài cấp Bộ và cấp Thành phố như: Công nghệ sản xuất trục khuỷu của công ty thép miền Nam, công ty Cơ khí Đông anh, công ty Cơ khí Hà nội, Công ty Diezen Sông Công cũng đều là công nghệ gang cầu peclit

Đã có một vài nơi sản xuất gang cầu pherit nhưng chưa thấy công bố kết quả nghiên cứu và sản xuất của mình Trên các tạp chí chuyên ngành và thông báo khoa học được lưu trữ tại thư viện ĐHBK HN và Trung tâm Thông tin KHKT

TW trong khoảng 10 năm lại đây không thấy công trình nào công bố về gang cầu pherit nói chung và gang cầu pherit trạng thái đúc nói riêng

Bởi vậy việc nghiên cứu chế tạo ổn định và sử dụng gang cầu pherit trong giai đoạn hiện nay là rất cần thiết

Chương 2 Công nghệ chế tạo gang cầu

2.1 Các phương pháp chế tạo gang cầu

Trong những năm qua, việc chế tạo gang cầu đều dựa trên cơ sở biến tính gang xám bằng magiê sạch, hợp kim trung gian trên cơ sở magiê và đất hiếm Các công trình đều nhằm mục đích: tìm ra phương pháp làm thế nào để nhận

được graphit cầu một cách chắc chắn nhất; làm thế nào để đảm bảo an tòan cho quá trình sản xuất và làm thế nào đạt được hiệu quả chất biến tính cao nhất

Theo quan điểm nhiệt động học, bản chất quá trình biến tính cầu hóa là các quá trình hóa lý, trong đó quá trình nào, hóa học hay lý học, là quá trình quyết định Nói chung, có thể chia các phương pháp biến tính thành hai phương

án: phương án các quá trình sạch và phương án các quá trình hóa học /12/

2.1.1 Phương án các quá trình sạch

Các điều kiện biến tính trong quá trình này rất chặt chẽ nhất là các điều kiện luyện kim Khi đã đạt được các điều kiện này, chất biến tính chỉ còn thực hiện một chức năng duy nhất là cầu hóa khi graphit kết tinh, có nghĩa là, gang xám biến tính phải có hàm lượng lưu huỳnh, oxy và các nguyên tố phản cầu ở mức tối thiểu Thí dụ, khi biến tính trong khuôn với gang có hàm lượng S ban

đầu 0,005% đã nhận được gang có mức độ cầu hóa trên 90% nhưng hàm lượng

Mg dư chỉ 0,026% /13,14/ Kết quả tương tự cũng được công bố ở công trình /15/

Để đạt được các điều kiện chặt chẽ nói trên, phải dùng phương pháp nấu luyện tổng hợp (luyện gang từ sắt thép vụn, sau đó bổ sung cacbon và các nguyên tố khác bằng phero) Thí dụ, dùng lò hồ quang bazơ để nấu luyện Trong

lò hồ quang có thể khử P và S xuống đến mức rất thấp, thấp đến mức, phản ứng giữa Mg và S không thể xảy ra

Phương pháp nấu luyện nữa là phương pháp bán tổng hợp: sử dụng thành phần phối liệu thích hợp (gang thỏi có chất lượng cao), nấu phối hợp lò hồ quang

và lò điện cảm ứng

Việc lựa chọn phương án quá trình sạch không chỉ phụ thuộc vào các chỉ tiêu kỹ thuật mà còn phải cân nhắc rất kỹ càng về mặt hiệu quả kinh tế Công nghệ này chỉ phù hợp cho phương pháp biến tính trong gầu điều chỉnh được, thí

dụ như phương pháp nhúng, phương páp rót đổ, phương pháp biến tính trên dòng chảy, biến tính trong khuôn

2.1.2 Phương pháp có các quá trình hóa học

Đối với phương pháp này, không cần cân nhắc kỹ càng về các điều kiện luyện kim bởi vì, trong quá trình biến tính, các chất biến tính sẽ phản ứng với các nguyên tố có mặt trong kim loại lỏng đồng thời với các quá trình khử ôxy, khử lưu huỳnh và tinh luyện kim loại lỏng Điều này có nghĩa là, chất biến tính sẽ thực hiện đồng thời hai chức năng: biến tính cầu hóa và tinh luyện kim loại lỏng Bởi vậy, cần phải cho chất biến tính vào gang lỏng một lượng đủ lớn để thực hiện hai chức năng trên Thí dụ, khi biến tính cầu hóa bằng Mg, ngoài lượng Mg bay hơi và tác dụng với oxy và lưu huỳnh, phải có một lượng Mg dư đủ lớn (0,04-0,07%) để phát huy tác dụng cầu hóa Phương án biến tính này có thể dùng gang lỏng ban đầu có hàm lượng S lên đến 0,1% /12/ Tất nhiên, hàm lượng S ban đầu càng thấp, tính ổn định của quá trình sản xuất gang cầu càng cao

Khi sản xuất gang cầu từ gang ban đầu có hàm lượng S cao, tác giả /14/ đã dùng phương pháp nấu kép: trước hết khử lưu huỳnh sơ bộ trong lò cảm ứng, sau

đó biến tính trong gầu Kết quả chỉ ra rằng, hàm lượng lưu huỳnh giảm đi 1,5 lần và gang cầu có cơ tính khá cao: Rm = 529-720 MPa; A5 =5,2-18%

Bằng phương pháp khử lưu huỳnh sơ bộ ngòai lò, nâng nhiệt trong lò cảm ứng rồi biến tính cầu hóa, tác giả /5/ cũng đã chế tạo được gang cầu với mức độ cầu hóa trên 90%

Tác giả /16/ sử dụng công nghệ xử lý kép để biến tính gang cầu trong khuôn: dùng 0,2% FeCe tinh luyện gang trong gầu, sau đó biến tính trong khuôn

và đã chỉ ra rằng: nếu giải quyết triệt để được vấn đề tinh luyện gang ban đầu, có thể triển khai công nghệ này ở qui mô sản xuất lớn

Tóm lại, hiện nay có khoảng 60 phương pháp biến tính gang cầu/17/ Mỗi phương pháp có những thuận lợi và khó khăn riêng Việc sử dụng phương pháp này hay phương pháp kia hoàn toàn phụ thuộc vào điều kiện có sẵn trong phân xưởng sản xuất và trình độ chuyên môn của đội ngũ cán bộ kỹ thuật

2.1.3 Một số công nghệ biến tính sử dụng Mg và hợp kim trung gian Mg

p = 5 at

thanh nhấn nắp

Hình 2.2 Phương pháp biến tính bằg dây nhồi

1 Trục quay đẩy dây vào kim loại lỏng

2 Đồng hồ đo chiều dài dây

Hình 2.3 Phương pháp biến tính trong thùng quay

Trong các phương pháp biến tính nói trên, phương pháp biến tính liên tục trên dòng chảy (hình 2.4) đang được sử dụng để biến tính gang cầu có hàm lượng S ban đầu nhỏ Hiệu suất sử dụng chất biến tính có thể đạt 60-70% Nguyên lý của phương pháp là: Chất biến tính được phân phối và định lượng từ thùng phân phối rồi rơi xuống hốc chứa Khi chảy qua hốc chứa, gang lỏng sẽ lấy dần chất biến tính và hòa tan chúng Mức độ hòa tan tùy thuộc vào tốc độ rót, diện tích buồng phản ứng và nhiệt độ rót Các phản ứng sẽ tiếp tục xảy ra trong buồng phản ứng Kim loại lỏng đã biến tính chảy xuống gầu rót, tiếp tục được xáo trộn và làm đồng đều thành phần ở đây

2.2 Tác dụng của magiê khi làm chất biến tính cầu hóa

Pkhí = PO2 + PCO2 + PCO

Trong điều kiện bình thường áp lực khí cân bằng với áp lực của không khí

Hình 2.5 Phương pháp gầu Tundish

Hố chứa chất biến tính

Buồng phản ứng

Hình 2.4 Phương pháp biến tính liên tục

trên dòng chảyquay

Chất biến tính

Rót gang

lỏng

Thùng phân phối chất biến tính

Pkhí = Pat. + Pkl

Khi cho Mg vào gang lỏng để biến tính, điều kiện cân bằng này thay đổi vì Mg bốc hơi mạnh Magiê có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ bay hơi thấp (6380C và 11050C tương ứng) Khi biến tính gang ở 1450 - 15000C thì áp lực khí

Trong đó: T - nhiệt độ ; ∆H- nhiệt độ hoá hơi; C - hằng số tích phân

Đồng thời với các phản ứng khử oxy và khử lưu huỳnh, các sản phẩm khử

là các loại khí còn có tác dụng tinh luyện các tạp chất và khí khác, cho nên, lượng khí trong gang sẽ giảm đi nhiều Số liệu cho trên bảng 2.1

Bảng 2.1 Sự thay đổi hàm lượng khí trong gang khi biến tính bằng FeSiMg5

Hàm lượng khí trong gang lỏng khí

Trước biến tính Sau biến tính

Hiệu suất khử % Lượng khí chung (cm3/100g,

gang lỏng)

5,4 – 31,5 2 – 2,5 50 – 65 Hydro (cm3/100g, gang lỏng) 2,5 – 10,4 0,9 – 5,2 25 – 50

ôxy, (%) 0,003 – 0,023 0,001 – 0,007 30 – 80 Nitơ, (%) 0,001 – 0,006 0,0005 – 0,0028 15 – 55

2.2.2 Tác dụng khử lưu huỳnh

Magiê và đặc biệt là các nguyên tố đất hiếm là những nguyên tố có ái lực hoá học rất mạnh với lưu huỳnh Khi đưa vào gang lỏng, trước hết các nguyên tố này nó sẽ tác dụng với lưu hùynh tạo thành các hợp chất như: MgS, CeS, Ce2S3

Trong gang lỏng, Mg có khả năng tác dụng với S theo phản ứng sau:

/ Mg / + / S / = (MgS) ∆Go = -543 000 + 239,8 T

Từ đó:

522,123,28359lg

84,285,65311ln

T RT

G K

o

Gang lỏng là dung dịch thực cho nên cần phải xem xét đến ảnh hưởng của các nguyên tố khác đến hoạt độ của Mg, như vậy, mối phụ thuộc /Mg/ = f(/%S/,T và PMg) sẽ được thể hiện qua phương trình:

T e Mg C e Si e C e Si

C

Mg Si

S C

S Si

ư lg/ Mg/ + lgP Mg

Tại một nhiệt độ xác định, sẽ tồn tại sự cân bằng giữa hàm lượng Mg và S

Cân bằng của phản ứng Mg-S phụ thuộc vào hàm lượng các nguyên tố trong gang, nhiệt độ và áp suất biến tính ảnh hưởng của thành phần hoá học

được đánh giá thông qua hệ số tương táce Mg X Cân bằng phản ứng khử S trong gang phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ và áp suất Cả hai giá trị này đều đẩy

đường cong cân bằng về phía phải, ở đây có nghĩa là, đẩy về phía làm giảm khả năng khử S của Mg Như vậy trong quá trình biến tính, đồng thời xảy ra cả 3 quá

trình, bay hơi, hoà tan của Mg và khử S Kết quả của quá trình biến tính phải là tổng hợp của 3 véc tơ quá trình như trên hình 2.6

Rõ ràng, khi hàm lượng S không thay đổi, Mg được đưa vào càng nhiều, hiệu suất sử dụng Mg càng giảm và lượng Mg bay hơi cũng càng tăng Nếu hàm lượng S ban đầu nhỏ tới một giới hạn nào đó, sẽ không cần dùng Mg để khử S, tức là không xảy ra phản ứng khử S Trong trường hợp này, Mg bay hơi mất khoảng 50 - 60 %

Từ những vấn đề nêu trên, có thể phân tích, giải quyết được bài toán, làm thế nào để đạt được hàm lượng Mg dư đủ để biến tính cầu hoá trong đIều kiện kĩ thuật Có ba phương án:

1 Giảm hàm lượng S ban đầu: giảm hàm lượng S ban đầu sẽ làm nâng cao hiệu suất sử dụng Mg, khi đó lượng Mg bay hơi nằm trong khoảng 50-60% Nếu giảm S ban đầu xuống giá trị rất thấp thì sẽ không xảy ra phản ứng khử S

2 Nâng cao hàm lượng Mg của chất biến tính, tức là nâng cao lượng Mg đưa vào hợp kim

3 Nâng cao áp suất biến tính: Giải pháp này tỏ ra hữu hiệu như thí dụ trên đã trình bày Ap suất biến tính có thể tác dụng “chèn ép” sự bay hơi của Mg đến mức Mg không thể bay hơi được nữa, và như vậy sẽ nâng cao hiệu suất sử dụng Mg

Bảng 2 2 Khả năng khử S của các nguyên tố đất hiếm phụ thuộc vào nhiệt độ (lượng chất biến tính = 2,5% trọng lượng gang lỏng)

Hàm lượng S (%) Nhiệt độ biến tính (00C)

Trước biến tính Sau biến tính

Hiệu suất khử (%)

1430 0,0385 0,0123 67,5

1450 0,039 0,012 69,3

1470 0,033 0,011 71,5

1480 0,038 0,012 68,5

Hình 2.7 Giản đồ trạng thái Fe - Mg

Fe Mg

2.2.3 Hàm lượng Mg dư sau biến tính

trạng thái trên hình 2.7 Nhiệt độ cùng tinh của hệ là 1515 oC tương ứng với 0,76

%Mg Rõ ràng, Mg hoà tan rất ít ở trong Fe lỏng và không đáng kể trong trạng

thái rắn Lý do làm cho Mg khó hoà tan vào trong Fe lỏng chính là áp xuất hơi

bão hoà của hơi Mg quá cao

Trong hệ Fe-Mg, magiê từ hơi bão hào tan vào gang lỏng theo phản ứng:

Mgkhí → / Mg/ ∆G T0 = ư 4440 12 83 + , T

Hằng số cân bằng:

Mg P

Phương trình trên mô tả quan hệ giữa

lượng hoà tan của Mg trong sắt lỏng

và nhiệt độ Sự phụ thuộc trên chỉ đúng với Fe kỹ thuật Trong thực tế, khi biến

tính còn phải lưu ý đến áp suất tĩnh do cột kim loại lỏng gây nên

Qua phân tích hóa học tất cả các loại gang cầu biến tính bằng Mg đều thấy

rằng, lượng Mg còn lại khoảng chừng 0,04% là có được gang cầu

Khi biến tính bằng đất hiếm, lượng Ce dư cần đạt 0,15-0,19% Đối với biến tính phối hợp đất hiếm với magiê thì Mg = 0,02% và lượng đất hiếm dư = 0,08 - 0,15%

2.2.4 Sự cháy hao của các nguyên tố khi biến tính

Các nguyên tố dùng để biến tính cầu hoá thường bị cháy hao trong quá trình biến tính Mg có nhiệt độ thấp 638oC nhiệt độ sôi 1105oC, thấp hơn nhiệt

độ gang lỏng biến tính nên bị cháy hao mạnh

Đối với chất biến tính là đất hiếm, do nhiệt độ cháy lớn hơn (ToC của Ce

là 793oC, của La là 850 - 920oC) và đặc biệt là độ sôi rất cao, nên khả năng cháy hao ít hơn và không có hiện tượng sôi

Bảng 2.3 Đặc tính chủ yếu của một số chất biến tính cầu hoá để sản xuất gang graphit cầu

Tính chất Chất biến tính Mác của

Liên xô Thành phần (%) ρ; g/cm 3 Tnc, o C Hiệu suất tác dụng, %

Mg kim loại

MT1 MT2 MT3

vơi ferosilic

5 – 10 Mg

15 – 30 Mg 50Mg

3,7 3,5 – 3,0 2,6

950 - 1150

20 – 25

15 – 20

10 – 15 Hợp kim Mg

với ceri ΦLIM5 4-7Mg+45Ce 5,9 – 6,0 760 – 800 20 - 30

Dùng hợp kim trung gian để biến tính làm tăng nhiệt độ chảy, hạn chế khả năng cháy hao và bắn té kim loại

Để phát huy hết tác dụng chất biến tính, khi biến tính xong, dùng than phủ một lớp lên bề mặt nước gang để tránh hiện tượng khử cầu hoá (do mất ceri trên

bề mặt thoáng nước gang mà graphit sẽ trở lại dạng tấm) Than hoa là chất hoàn nguyên tốt, vừa che phủ tốt mặt thoáng vừa giữ lại lượng S đã bị khử, đảm bảo cho nước gang đã biến tính cầu hoá bằng đất hiếm khi chờ rót không bị khử cầu hoá

2.3 Gang cầu pherit

Gang này ở trạng thái đúc hoặc sau khi ủ có tổ chức nền là pherit chiếm tới 80% trở lên, ngoài ra, trong thành phần tổ chức còn chứa một lượng nhỏ peclit

Đặc điểm cơ tính của gang là độ bền cao (ngang với thép), độ dẻo và độ dai kém hơn gang dẻo cùng loại, độ bền mỏi tương tự gang rèn Công dụng điển hình của gang cầu graphit là đúc vỏ cầu sau ô tô, các chi tiết đỡ mũ sứ trong

đường dây dẫn điện…

Nhiều công trình đã làm sáng tỏ mối quan hệ giữa lượng peclit với cơ tính của gang cầu pherit: Tăng lượng pherit trong gang (tương ứng với việc giảm lượng peclit), độ bền và độ dẻo của gang cầu giảm đi; trong khi đó, độ dẻo của chúng lại tăng một cách rõ rệt

Gang cầu pherit theo tiêu chuyển DIN 1693 có thể đạt được các tính chất cơ học như bảng 2.4

Bảng 2.4 Tính chất của gang cầu pherit

Mác gang theo

DIN 1693

Thành dầy vật đúc /mm/

Thành dầy mẫu đúc /mm/

Độ bền kéo (Rm) /MPa/

Giới hạn chảy (Rpo,2)

Độ dãn dài A5/%/ min

Tổ chức nền kim loại GGG-40-3 30-70

Các yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của gang cầu pherit

Ngoài graphit cầu (mức độ cầu hóa, số lượng, kích thước và sự phân bố của graphit), thành phần của gang và chế độ ủ pherit hóa có ảnh hưởng lớn tới tính chất của gang cầu pherit

Trong gang cầu, Si là nguyên tố thúc đẩy sự graphit hóa khi chuyển biến cùng tích Vì vậy, khi hàm lượng Si cao, thời gian ủ pherit hóa gang cầu sẽ được rút ngắn Mặt khác, Si trong gang chủ yếu hòa tan vào pherit, làm cho chúng cứng và giòn hơn Do đó, Si làm tăng độ cứng, độ bền nhưng lại làm giảm mạnh

độ dẻo dai của gang cầu pherit (độ dẻo dai là chỉ tiêu cơ tính mong muốn nhất của gang cầu pherit)

Quan hệ giữa hàm lượng Si, nhiệt độ ngưỡng giòn và tính chất của gang

cầu pherit được thể hiện trên hình 2.9

Rõ ràng là: Si khi tan trong pherit làm dịch chuyển ngưỡng cửa giòn về phía nhiệt độ cao, làm độ dai của gang bị giảm rất mạnh mẽ Vì vậy, %Si thường

được chọn trong giới hạn 2,0 - 2,2% cho vật đúc thành dày và khi có Ni, hàm lượng Si phải giảm thêm 0,2%

Hinh 2.8 Ảnh hưởng của tổ chức nền đến độ dai va đập của gang cầu pherit

Mangan là nguyên tố cacbit hóa rất mạnh lên hàm lượng của nó cần phải

được giới hạn phụ thuộc vào %Si và thành dày của vật đúc

Trong vật đúc thành mỏng tới trên 25 mm một chút, có thể tăng %Si để trung hòa ảnh hưởng của Mn Thí dụ: với vật đúc thành dày 12mm, có thể tăng

%Si từ 2,5% lên 3,0%; lúc đó %Mn sẽ dẫn tới thiên tích Mn và tạo ra rất nhiều cacbit ở tinh giới hạt, làm xấu tính chất cơ học của gang cầu Vì vậy, %Mn phải

được giới hạn Đối với vật đúc gang cầu pherit, để có nhiều pherit ở trạng thái

đúc và rút ngắn thời gian ủ, %Mn phải < 0,2%

Phốt pho làm tăng độ bền và độ cứng, nhưng lại làm giảm rất mạnh độ dẻo

và độ dai va chạm của gang cầu (hình 2.10) Vì vậy, hàm lượng P càng thấp càng tốt Hàm lượng P cần được giữ ≤ 0,05%

Các nguyên tố hợp kim như Cr, Mo, Ti, V là các nguyên tố cacbit hóa và thiên tích mạnh, đặc biệt tập trung ở tinh giới hạt tinh thể Các nguyên tố này cũng là các nguyên tố thúc đẩy sự hình thành peclit, cản trợ sự hình thành graphit khi ủ Ni, Cu là các nguyên tố thúc đẩy graphit hóa gang khi đông đặc, song lại là nguyên tố thúc đẩy sự hình thành peclit khi chuyển biến cùng tích

Hỡnh 2.9 ảnh hưởng của Si tới tính chất của gang cầu pherít

B¶ng 2.5 Thµnh phÇn c¸c nguyªn tè th−êng gÆp trong gang cÇu graphit /19/

Th«ng sè Gi¸ trÞ trung

b×nh

Gi¸ trÞ nhá nhÊt

Gi¸ trÞ lín nhÊt

Sai lÖch trung b×nh

d: thành dày của vật đúc Tính chất cơ học của gang cầu trạng thái ủ được cho như sau/19/:

Rm =349.97-1,01/%pherit/ + 1,49/HB/

A5 = 52,5- 0,07Rm

Công nghệ ủ gang cầu graphit

ủ graphit hóa (còn gọi là ủ mềm) là quá trình nâng nhiệt vật đúc giữ nhiệt trong thời gian xác định để phân hóa austenit hoặc cacbit trong peclit thành pherit và graphit Có các công nghệ ủ sau đây:

- Pherit hóa dưới nhiệt độ Ac1

- Pherit hóa ở nhiệt độ trên Ac1 một chút,

- Pherit hóa ở nhiệt độ cao trên Ac1 đáng kể

Việc ủ gang cầu pherit được hình thành chủ yếu vào giai đoạn chuyển biến

tổ chức trong và dưới vùng cùng tích, với phản ứng cơ bản sau:

Austenit → pherit + graphit hoặc:

Peclit → pherit + graphit

Sự phân hủy peclit có thể thực hiện được ở khoảng nhiệt độ 6200C tới nhiệt độ tới hạn (chuyển biến cùng tích) Với gang cầu không hợp kim và hợp kim hóa thấp, nhiệt độ pherit hóa nằm trong khoảng 740 - 8200C

Si và Al thúc đẩy quá trình pherit hóa; ngược lại Cr, Mn, V, Mo làm cản trở quá trình pherit hóa, mặt khác, chúng tạo ra các cacbit và các cacbit này chỉ phân hủy một phần ở nhiệt độ cao và thời gian ủ dài Ni không ảnh hưởng tới sự pherit hóa

ủ pherit hóa dưới nhiệt độ Ac 1

Nhiệt độ pherit hóa thường nằm trong khoảng 700 - 7500C ở nhiệt độ này, sẽ xảy ra sự phân hủy peclit thành pherit và graphit Thực chất đây là quá trình ủ để giảm cacbon liên kết

Thời gian giữ vật đúc khi ủ phụ thuộc vào nhiệt độ ủ và thành dày của vật

đúc Thông thường, thời gian ủ cần 1/h/25mm thành dầy vật đúc; nếu giữ ở nhiệt

độ ngay cạnh đường Ac1 thì giữ 45 phút/25mm thành dày vật đúc Tốc độ làm

ủ pherit hóa theo chế độ này thì các cacbit tự do sẽ không phân hóa được nên chỉ dùng cho gang cầu không có tổ chức cacbit tự do trong tổ chức nền kim loại

ủ pherit hóa ở nhiệt độ trên Ac 1

Hầu hết các loại gang cầu được ủ theo chế độ này và bao gồm các thông

số công nghệ sau:

- Nhiệt độ pherit hóa khoảng: 790 - 9000C,

- Thời gian giữ nhiệt: 1h/25 mm thành dày vật đúc

- Làm nguội chậm với tốc độ 10-20K/h, đặc biệt qua vùng tới hạn: 800 -

6800C, nếu không sẽ xuất hiện peclit trong tổ chức nền kim loại

- Sau đó, làm nguội tới 3000C với tốc độ 40 - 60 K/h trong lò

ủ pherit hóa ở nhiệt độ cao, trên Ac 1

Quá trình ủ này được sử dụng đủ ủ pherit hóa cho các vật đúc có chứa các cacbit tự do hoặc các cacbit khác

Chế độ ủ và làm nguội được thực hiện như sau:

- Nhiệt độ ủ: ≥ 8550C Để giảm thời gian ủ có thể ủ nhiệt độ 900 - 9550C

để vật đúc không bị ô xi hóa quá mức Với hàm lượng phốt pho > 0,3P%, nhiệt

độ ủ cũng phải ≤ 9550C để tránh phân hủy photphit cùng tinh

- Thời gian giữ nhiệt ở 900 - 9550C là (1-3h) + 1h/25 m thành dầy vật đúc

- Tốc độ làm nguội ở nhiệt độ 800 - 6800C là 10 - 20K/h trong lò; tới

3000C với tốc độ 40 - 60 K/h cùng lò

ủ pherit hóa hai cấp

+ ủ giai đoạn I

Austennít hóa ở 850 - 9200C, làm nguội trong lò hoặc không khí tới nhiệt

độ tới hạn (nhiệt độ chuyển biến peclit Nhiệt độ austennít hóa cao (> 9000C) là nguyên nhân gây hạt tinh thể thô to do sự phát triển kích thước hạt Nhiệt độ austennít hóa thấp sẽ gây ra hạt xuyên tinh

+ ủ giai đoạn II

Giữ nhiệt tại 650 - 7400C trong 5 - 10h để thực hiện sự phân hủy:

austennít → pherit + graphit hoặc austennít → peclit + graphit → pherit + graphit Sau đó, làm nguội chúng trong nước Tiếp tục ram ở 3500 C

Chương 3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

3.1 Nội dung nghiên cứu

Như trên đã trình bày, công nghệ chế tạo gang cầu pherit khá phức tạp và phụ thuộc quá nhiều tham số, đề tài này chỉ xem xét một số yếu tố cơ bản ảnh hưởng

đến chất lượng gang cầu pherit trạng thái đúc

3.1.1ảnh hưởng của thành phần phối liệu đến việc hình thành tổ chức pherit

Thành phần phối liệu ở đây tức là xét ảnh hưởng của tính “di truyền” khi kết tinh và đông đặc Chúng ta đều biết rằng trong gang thỏi đã có sẵn graphit, nếu trong thành phần mẻ nấu có tỉ lệ gang thỏi hoặc hồi liệu đáng kể thì quá trình graphit hoá sẽ được thuận lợi hơn nhiều do graphit có trong gang cũ sẽ “di truyền” lại cho thế hệ sau khi kết tinh, quá trình cacbit hoá bị kiềm chế, việc hình thành tổ chức pherit cũng sẽ thuận lợi hơn Dự kiến sẽ thay đổi thành phần phối liệu có từ 20

• Cacbon đương lượng và

• Tỉ lệ C/Si

nguyên tố dùng để điều chỉnh tổ chức của gang Trong công trình này dự kiến sẽ thay đổi hàm lượng Mn từ 0,15 đến 0,65%

3.1.3 ảnh hưởng của chiều dày thành vật đúc đến cơ tính gang cầu pherit trạng thái

đúc

Trong quá trình làm nguội và kết tinh của gang, tổ chức và tính chất của gang

được quyết định thông qua cả ở giai đoạn kết tinh lần 1 và cả ở giai đoạn kết tinh lần 2 Trong giai đoạn kết tinh lần 1, cần tập trung vào việc điều khiển quá trình kết tinh của graphit Nếu cacbon đương lượng lớn, lượng graphit trong gang càng nhiều, kích thước graphit càng dài Trong quá trình kết tinh lần 2 ở chuyển biến trước cùng tích và chuyển biến cùng tích, cần khống chế sao cho không có phản ứng tiết ra xêmentit, đồng thời chuyển biến peclit xảy ra hoàn toàn mà không có xementit tự

do Trong khoảng nhiệt độ này, việc hình thành tổ chức cũng hoàn toàn phụ thuộc vào tốc độ nguội Tốc độ nguội lớn, gang kết tinh theo hệ ổn định giả, tốc độ nguội nhỏ, gang kết tinh theo hệ ổn định, tiết ra graphit Nếu gang đã có một ít xementit sơ cấp thì ở giai đoạn này chúng cũng dễ dàng bị phân huỷ thành austenit và graphit Đối với gang đúc trong khuôn kim loại, sau khi rỡ khuôn sớm đem ủ trong

đống cát khô sẽ thấy phản ứng này rất rõ rệt còn gọi là hiện tượng tự ủ

Một đặc điểm nữa của gang là hệ số dẫn nhiệt kém hơn thép, nên tốc độ nguội ở các phần vật đúc trên cùng một thiết diện cũng rất khác nhau và bởi vậy, tổ chức của vật đúc cũng không đồng đều ngay trên cùng một thiết diện Mong muốn thu được tổ chức đồng đều hoàn hảo trong tâm vật đúc cũng rất khó thực hiện

Trong đề tài này sẽ xem xét ảnh hưởng của chiều dày thành vật đúc đến chất lượng gang cầu Chiều dày thay đổi từ : 10, 25; 35 và 45 mm Kích thước vật đúc

và vị trí lấy mẫu xác định cơ tính như trên hình 3.1

Hình 3 1 Mẫu thí nghiệm xét ảnh hưởng chiều dày thành vật đúc

Mẫu xác định cơ tính lấy theo tiêu chuẩn ASTM

3.1.4 Thiết kế công nghệ và đúc thử cho chi tiết van tay quay bằng công nghệ khuôn cát tươi

10

150